磁调制式直流剩余电流保护器的研究和设计

马 铁 峰

[二一三电器(上海)有限公司, 上海 201802]

0 引 言

在环境污染、能源制约等因素的大背景影响下,国家已将发展新能源作为改善环境、解决能源短缺的主要措施。根据国家“十三五”规划,到2020年国内的分布式充电桩将达到480万个,充电站1.2万座,以满足新能源汽车快速发展的需求,推动清洁能源的应用,但是作为充电桩的关键性元器件剩余电流保护器的功能已满足不了现有充电桩行业的发展需求。

电动汽车在充电时要对三相电进行整流、逆变、再整流、充电等过程,才能完成对电动汽车电池组的充电。在充电回路中存在整流电路、逆变电路、电池组电路。当负载出现绝缘损坏、元器件损坏、电池组绝缘性能降低等故障时,充电线路中可能存在交流剩余电流、脉动直流剩余电流、平滑直流剩余电流、复合剩余电流等故障,因此充电回路中的保护开关必须要对交流剩余电流、脉动直流剩余电流、平滑直流剩余电流进行全方位的保护,才能确保充电设备和人身的安全[1-3]。

剩余电流保护器按保护类型一般分为AC型(只对交流剩余电流保护)、A型(对交流剩余电流和脉动直流剩余电流保护)、B型(对交流剩余电流、脉动直流剩余电流、平滑直流剩余电流、高频剩余电流保护)。不同类型的剩余电流保护器使用的场合环境有所不同,3种类型中B型产品保护功能最全[4-6]。

在负载侧为交直流混合电网系统中,A型剩余电流保护器显然已无法完全保护负载故障。根据IEC 60364-7-722:2018《低压电气装置 第7-722部分:特殊装置或场所的要求 电动车供电》,充电模式2和模式3的合适保护措施应当为B型剩余电流保护器,或A型剩余电流保护器+DC 6 mA剩余电流保护器(监控器),受B型剩余电流保护器价格因素的影响,国内的充电桩行业很少用到B型产品,DC 6 mA直流剩余电流保护器也处于研发起步阶段,也没有大量推广和市场化使用,因此目前市场上充电桩设备的剩余电流保护器基本以A型剩余电流保护器为主。但A型剩余电流保护器存在一定的安全隐患问题,针对A型剩余电流保护器+DC 6 mA剩余电流保护器组合功能的需求,本文研究和设计了一种磁调制式直流剩余电流保护器。该保护器可以实现DC 6 mA剩余电流保护器的功能,可弥补A型产品的保护功能欠缺的不足,又可解决B型产品价格偏高的问题,以便满足充电桩行业发展需求[7-10]。

1 含直流分量的剩余电流特性分析

对平滑直流电流的检测可通过霍尔传感器技术、磁光传感器技术、巨磁电阻技术、磁调制技术等来实现,但每种技术方案各有其特点和用途,霍尔传感器由于磁芯中气隙的存在,极易受到外界磁场的干扰,影响检测精度。磁调制式电流互感器磁芯中无气隙,抗干扰能力强;在对称激励源作用下,磁芯深度工作在磁饱和状态,工作特性稳定;温度特性相对较好,不易受温度变化影响。因此,采用磁调制技术对直流电流的检测是较合适的技术方案。

当电网负载为交直流混合电路时,剩余电流故障既有交流成分,也有直流成分。目前充电桩普遍使用的剩余电流保护器为A型产品,只对交流和脉动直流剩余电流起到保护作用,但对平滑直流剩余电流无法检测保护。含直流分量的剩余电流的磁化曲线特性如图1所示。a为剩余电流中不含直流分量的磁场强度;b为剩余电流中不含直流分量的磁场强度产生的磁感应强度;c为剩余电流中含直流分量的磁场强度B0;d为剩余电流中含直流分量的磁场强度产生的磁感应强度H0。由图1可知,在直流分量下磁通变化情况,当系统出现直流剩余电流时,磁场强度起始点偏置到图1中B0处,磁感应强度初始点偏置到图1中H0,则叠加的直流剩余电流会导致检测线圈的磁芯预先磁化,导致脱扣器值增大,破坏剩余电流原有的保护功能。为了补偿在A型剩余电流保护器中平滑直流剩余电流带来的保护开关拒动情况,造成一定的安全隐患,因此需要在充电线路中增加直流剩余电流保护器,弥补A型剩余电流保护器的不足,根据相关标准,直流剩余电流保护器必须对大于DC 6 mA剩余电流有检测功能。

2 磁调制的工作原理

直流剩余电流保护器主要由磁调制传感器和控制部件组成,关键部件是磁调制传感器。要实现交流负载下对微弱直流剩余电流的检测,传统检测方法无法检测到直流剩余电流,需采用磁调制技术才可实现对直流剩余电流的测量。

为了便于分析说明,对单磁芯磁调制工作原理进行解析说明。磁调制工作物理模型如图2所示。

图2中,一次绕组W1为激励绕组,匝数为N1;二次绕组W2为检测绕组,匝数为N2;i0(t)为穿过磁芯中心的被测电流。在环形的坡莫合金磁芯上绕制一次激励绕组W1和检测信号绕组W2,被测电流从磁芯中空穿过。在对称交变绕组W1激励源的作用下,环形磁芯中产生了大小相等对称的磁通量。如果被测电流无直流信号,环形磁芯总磁通量为0,二次绕组W2产生的电动势为0;如果被测电流中存在直流剩余电流分量,磁场磁芯中交变磁通的对称性被破坏,磁通波形的正负半波相位将发生变化,在二次绕组W2两端产生感应电动势,相应的检测绕组输出电压的正负半波将发生相对位移,变化量的大小和方向可以反映出直流信号的大小和方向。这是利用磁调制技术实现对直流剩余电流检测的基本工作原理。

2.1 激励信号源分析

图3中,如果输入电流i1(t)=0时,在一次绕组W1中通入幅度为A,角频率为ω,周期为T的交变方波激励电流I2(t),磁环的截面积为S,导磁率为μ(t),内外半径为r1、r2,磁环的截面边长为a。方波激励信号波形如图3所示。

方波激励信号I2(t)函数为

(1)

一个周期性函数可以用傅里叶级数展开,因此对式(1)用三角函数集中各函数分量的线性组合来表示:

(2)

(3)

(4)

根据周期信号频谱分析,对式(3)、式(4)进行傅里叶级数展开:

(5)

(6)

(7)

由式(2)、式(5)～式(7)得

(8)

由式(8)可见,对方波激励信号函数进行傅里叶级数变化后只含有奇次谐波,不含偶次谐波。

2.2 激励源产生的磁场强度

在实际应用中,环形磁芯横截面一般为方形,线圈绕制为方形。单匝线圈示意图如图4所示。

假设磁芯横截面为正方形,边长为a,磁芯截面中心点为O,则单边导线在O点的磁感应强度为Br。根据毕奥-萨伐尔定理,对激励电流信号在磁芯中产生的感应磁场进行分析。设长度为dl,激励电流I2(t)在其半径为r内的任意空间所产生的磁感应强度dBr为

(9)

式中:μ0——真空磁导率。

真空中磁感应强度为

(10)

单边导线a在O点的磁感应强度为

(11)

(12)

(13)

四边导线产生的磁感应强度为4Br,N1匝导线产生的磁感应强度为

(14)

由式(8)可得

清洗盘用来对法兰盘上的摄像窗及光源照射窗进行清刷.其结构由清洗盘本体、清洗盘传动轴、下磁铁盖板、橡胶清洗条、下轴承及下磁铁等组成.清洗盘本体上设有下轴承安装孔，其两端分别设有下磁铁安装孔和橡胶清洗条安装块，下轴承固定在下轴承安装孔内，清洗盘传动轴通过螺母及垫圈安装在下轴承的轴孔内，两块下磁铁采取挤压的方式分别嵌入下磁铁安装孔内，通过固定粘贴在两块下磁铁上的下磁铁盖板将下磁铁封闭在下磁铁安装孔内，两片橡胶清洗条分别固定粘贴在橡胶清洗条安装块的端面上.具体结构如图4所示.

(15)

由式(14)、式(15)可得到方波激励源在磁芯中产生的磁感应强度:

(16)

由图3方波激励源信号波形可以推算出方波激励源产生的磁场强度。方波激励源磁场强度波形如图5所示。

(17)

(18)

由式(16)～式(18)得到激励方波在磁芯中产生的磁感应强度为

(19)

2.3 磁芯中磁场与感应电动势的关系

(20)

(21)

由式(19)～式(21)得

(22)

式(22)为输入电流I1=0时,二次绕组产生的感应电动势U2。

B1=μ(t)μ0H1

(23)

磁芯中总磁感为方波激励产生的磁感应强度和输入电流I1生产的磁感应强度矢量总和,总磁感应强度为

(24)

式中:B1——输入直流剩余电流I1产生的磁感应强度;

B——方波激流电流I2产生的磁感应强度;

B2——总磁感应强度。

由式(21)和式(24)得,方波激励源和输入电流I1的磁场生产的总电动势为

(25)

3 双磁芯结构的分析

为了提高对微弱信号的测量能力和采样精度,设计的磁调制器采用双磁芯线圈的磁调制技术,要求两个环形线圈结构尺寸相同,磁芯材质性能高度接近、激励绕组匝数相同,同时磁芯磁化曲线具有高矩形比特性。接线时将两个线圈的同名端反向联接,使调制电路输出的激励源产生的两磁芯磁场大小相等方向相反,并使这个磁芯迅速进入磁饱和状态,这样使得两个激励绕组中产生的磁场方向相反,就会相互抵消,从而延迟磁芯进入饱和状态。两个感应绕组中感应的电压的偶次谐波相同,相加后会得到加强,从而这两个感应绕组中感应的电压奇次谐波有抑制作用,达到选频效果,感应线圈中偶次谐波的大小与被测电流的大小成正比,把偶次谐波信号进行调理和功率放大后,就可以得到所需的电流检测信号。

单磁芯和双磁芯相比较,双磁芯二次绕组感应电动势是单磁芯的2倍,测量灵敏度更高,双磁芯结构更适合于小信号剩余电流的检测。因此,设计采用双磁芯结构,对小信号采样能力的提高,可使磁调制器具有较好的分辨率和较高的灵敏度,以及较低的噪声。双磁芯磁调制原理如图7所示。

双磁芯磁调制器由两组大小完全相同的磁环组成,磁环的磁芯材质相同,两个磁环上分别绕有一次绕组和二次绕组,其中一次绕组W1为激励绕组,绕线匝数为N,两个磁芯的一次绕组反相串在一起,则激励源输入电流在两个磁环上产生的磁场方向相反,二次感应绕组W2的绕线方向相同,两个绕组正串接在一起,i1(t)为穿过磁环的被测电流。式(25)中可知,双磁芯结构的输出信号只含偶次谐波,因此提取偶次谐波的二次谐波作为检测信号,对一次、二次谐波整形放大后的直流输出信号与一次侧电流成线性关系。

(1) 第一个磁环产生的感应强度和磁感应电动势:I1=0时,由于双磁芯结构两磁环的一次绕组反串连接,两磁环中由激励源产生的磁场在磁芯中的方向相反,大小相等,所以在输出绕组上产生的感应电动势的大小相等,方向相反,这时输出端的电压为0,及互感器的输出信号端为0。I1≠0时,第一个磁环磁感应强度和磁感应电动势为

(26)

(27)

(2) 第二个磁环磁感应强度和磁感应电动势:

(28)

(29)

由式(28)和式(29)可得,输出绕组上2个线圈电动势叠加后为

(30)

由式(30)可见,双磁芯结构输出绕组的感应电动势是单磁芯结构的2倍,测量灵敏度更高,更适合微弱直流信号的检测。

4 方波激励电路

要实现磁调制的功能,方波激励源起到关键性作用,也是其核心部件。方波激励源电路如图8所示。

运放器U1为双电源供电,电源为+UCC和-UCC,U0为输出口,输出口为两种状态,+UCC和-UCC。初始上电时,运放器U1的“+”端电压为+UCC的50%,运放器U1的“-”端电压为0,只要运放器U1的输入端电压差稍微大于0,就会迅速的输出饱和正向电压+UCC,不存在中间稳态,因此U0端为高电平输出。U0端电压经过电阻R1,二极管VD1放电,对电容C1进行充电。当充电电压值大于-UCC的50%时,运放器U1输入端电压差稍小于0,运放器U1会迅速输出负向电压-UCC,电容C1的电压通过电阻R2进行放电,C1的电压值低于运放器的“+”值时,运放器U1的U0端迅速输出高电平,这样通过电容C1和电阻R2反复的充电放电,运放器U1的U0端输出连续的方波脉冲信号电压。

5 运放电路

磁调制互感器要检测的直流剩余电流信号很小,需检测几mA的剩余电流值,因此其输出信号很微弱,而噪声比较大,必须对其进行运放处理。运放电路图如图9所示。系统采用仪用放大器AD620,其放大倍数为1～1 000,适当调节R3阻值,可以调节放大系数,放大倍数的函数关系为:G=49.49/R3+1。电容C2和C3主要起到去耦作用。R1、R2、C1组成低通滤波电路,对信号进行初级滤波。

6 相敏检测电路

为了判别剩余电流的流向,设计了相敏检测电路,对电流的相位进行检测。相敏检测电路如图10所示。

图10中有3个端口:信号输入端、输出端、参考电压输入端。参考电压采用同激励源相同的方波信号源,输入信号经过移相器处理后和参考电压同频率和同相。

当参考电压输入端为高电平时,场效应管VT1导通,运放器U4正向输入端通过场效应管VT1接地,因此运放器U4为反向比例运放器。当参考电压输入端电压为低电平时,场效应管VT1处于关闭状态,运放器U4构成同相比例放大器。

7 磁材质的设计分析

坡莫合金常指铁镍系合金(镍含量在30%～90%内),是应用非常广泛的软磁合金。通过适当工艺,可以有效地控制磁性能,提高初始磁导率、降低矫顽力。坡莫合金主要适合于作弱信号的低频或高频信号的检测。

磁调制的工作原理是利用软磁材料的高初始导磁率、低饱和的特性,根据本文中磁调制技术要求,以及参数性能对比,磁芯材质选用牌号1J85的坡莫合金。该磁芯具有较高的起始磁导率,对于弱磁场也有较高的导磁率。导磁率是其在磁场中导通磁力线的能力,起始磁导率直接影响测量的灵敏度和准确性。常用的几种坡莫合金磁特性参数如表1所示。坡莫合金磁滞回线如图11所示。由图11可知,磁芯工作在线性段时相对导磁率很高,而在饱和区时导磁率下降很多,磁芯饱和磁感应强度为Bs,开始饱和时磁场强度Hs。Hc为磁芯的矫顽力,通过图11可知,坡莫合金磁材质的矫顽力非常小,Hc靠近零点。矫顽力也称保磁力,是指在磁性材料已经磁化到磁饱和后要使其磁化强度减到零所需要的磁场强度。Br为剩余磁感应强度,Hs为磁感应强度。

表1 常用的几种坡莫合金磁特性参数

8 软件设计

通过磁调制互感器在完成微弱直流剩余电流检测后,需要对检测信号进行AD采样处理、逻辑运算处理、算法处理,输出控制功能,这些都需要靠软件进行运算处理,CPU采用STM32F103C8芯片。该芯片为32位单片机,12位的采样精度。本程序的软件包括系统主程序、AD采样、数据分析比较等模块。系统主程序流程如图12所示。

9 结 语

利用磁调制器实现对直流剩余电流的检测。采用双磁环磁调制技术改进方案,进一步提高对微弱剩余电流的检测能力,提高采样精度和高稳定性。通过文中对磁调制的工作原理数学建模,分析了被测电流、激励源绕组和检测绕组的函数关系。直流剩余电流保护器可以满足充电桩中充电模式2和模式3的合适保护措施,实现A型剩余电流保护器+DC 6 mA的剩余电流保护器组合保护功能,也可作为设计直流剩余电流保护器的理论参考依据。